теплофизика. 1. Элементарные и сложные виды теплообмена

• Название: 1. Элементарные и сложные виды теплообмена
• Дата: 23.03.2023
• Размер: 3.23 Mb.
• Имя файла: теплофизика.docx
• Тип: Документы; #1009702
• страница: 1 из 4

1.Элементарные и сложные виды теплообмена

Различают три элементарных способа передачи теплоты:
1. теплопроводность (кондукция);
2. конвекция;
3. тепловое излучение (радиационный теплообмен).

Теплопроводность (кондукция) – способ передачи теплоты за счет взаимодействия микрочастиц тела (атомов, молекул, ионов в электролитах и электронов в металлах) в переменном поле температур. Теплопроводность имеет место в твердых, жидких и газообразных телах. В твердых телах теплопроводность является единственным способом передачи теплоты. В вакууме теплопроводность отсутствует.
Конвекция – способ передачи теплоты за счет перемещения макрообъемов среды из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом текучая среда (флюид) с более высокой температурой перемещается в область более низких температур, а холодный флюид – в область с высокой температурой. В вакууме конвекция теплоты невозможна.
Тепловое излучение (радиационный теплообмен) – способ передачи теплоты за счет распространения электромагнитных волн в определенном диапазоне частот.

Замечания: — все тела выше 0 К обладают собственным тепловым излучением, то есть энергию излучают все тела; — для передачи теплоты излучением не требуется тело-посредник, т.е. лучистая энергия может передаваться и в вакууме.

Сложный теплообмен. Теплоотдача и теплопередача

В природе и в технических устройствах, как правило, все три способа передачи теплоты происходят одновременно. Такой теплообмен называется сложным теплообменом. Например, конвекция теплоты всегда протекает совместно с теплопроводностью, так как макрообъемы текучей среды состоят из микрообъемов, и есть неравномерное по пространству температурное поле. Передача теплоты совместно с теплопроводностью и конвекцией называется конвективным теплообменом. Совместная передача теплоты излучением и теплопроводностью называется радиационно-кондуктивным теплообменом. Совместная передача теплоты излучением и конвекцией называется радиационноконвективным теплообменом.
В природе и технике наиболее часто встречаются следующие два варианта сложного теплообмена: — теплоотдача – процесс теплообмена между непроницаемой твёрдой стенкой и окружающей текучей средой; — теплопередача – передача теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде через непроницаемую твёрдую стенку. Теплоотдача. График температурного поля при теплоотдаче показан на рис. 3. Температура текучей среды изменяется в очень узкой области, которая называется тепловым пограничным слоем.



Рис. 1.3. Схема процесса теплоотдачи: Tw – температура стенки; Tf – температура текучей среды; δq – толщина теплового пограничного слоя.

— конвективная теплоотдача (конвекция + теплопроводность = конвективный теплообмен) – имеет место при омывании твердых поверхностей различной формы текучей средой ( лученепрозрачной капельной жидкостью);
— лучистая или радиационная теплоотдача (тепловое излучение)– имеет место при радиационном теплообмене в вакууме или между стенкой и излучающим и поглощающим неподвижным газом;
— радиационно - конвективная теплоотдача (тепловое излучение + конвективный теплообмен) – наиболее часто встречающийся в практике расчетов случай сложного теплообмена; — конвективная теплоотдача при фазовых превращениях теплоносителя (конвекция + теплопроводность + возможно излучение) – теплоотдача при конденсации и кипении, протекающая с выделением или поглощением теплоты фазового перехода.

Расчет теплоотдачи заключается в определении теплового потока, которым обмениваются стенка и текучая среда. В инженерных расчетах теплоотдачи используется, так называемый закон теплоотдачи – закон Ньютона (1701 г.):
Q   Tf  Tw  F ,
где Q – тепловой поток, Вт;  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ·К); Tf и Tw – температура текучей среды и стенки; F – площадь поверхности теплообмена. Теплопередача. График температурного поля при теплопередаче через плоскую стенку показан на рис. 4.



Итак, теплопередача включает в себя следующие процессы:

а) теплоотдачу от горячей текучей среды (горячего теплоносителя) к стенке;
б) теплопроводность внутри стенки;
в) теплоотдачу от стенки к холодной текучей среде (холодному теплоносителю). Тепловой поток при теплопередаче, передаваемый от горячего флюида с температурой Tf,1 к холодному флюиду с температурой Tf,2 , рассчитывается по формуле (для плоской стенки):
Q  k (Tf ,1 Tf ,2 )F ,
где k f( , ,R )  1 2 t – коэффициент теплопередачи через плоскую стенку, Вт/(м2 ·К); Rt – термическое сопротивление теплопроводности плоской стенки, (м2 ·К)/Вт..

2. Явления теплообмена в двигателях и энергетических установках

Передача тепла может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность – процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры, и обусловлена движением микрочастиц тела.

Конвекция – процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в подвижной среде и всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа с твердой стенкой называют конвективной теплоотдачей.

Тепловое излучение – процесс распространения тепловой энергии при посредстве электромагнитных волн. При излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия тела переходит в лучистую и обратно – лучистая энергия переходит в тепловую, поглощаясь стенками и излучателем.

В ДВС имеет место сложный случай теплообмена, характеризующийся наличием всех трех элементарных процессов распространения тепла.

Предполагаем, что цилиндр заполнен рабочим телом (газ) и идет процесс сгорания. Теплота от рабочего тела 1 при помощи конвекции и лучеиспускания передается масляному слою 2. Далее, теплопроводностью проходит этот слой, стенку гильзы цилиндра 3 и слой накипи 4. Далее с помощью конвективной теплоотдачи передается охлаждающему агенту 5, при помощи которого основная часть тепла выносится из рубашки охлаждения. Оставшаяся часть конвекцией передается стенке блока цилиндров 6 и при помощи конвекции и теплового излучения отдается в окружающую среду 7.



Рис. 1. Общая идеализированная схема передачи тепла от рабочего тела
в цилиндре к охлаждающей жидкости и внешней среде: 1 – камера сгорания;
2 – слой масла или нагара; 3 – гильза цилиндра; 4 – слой накипи;
5 – охлаждающая жидкость; 6 – стенка блока цилиндров; 7 – окружающая среда

Отличительной особенностью процесса конвективной теплоотдачи в цилиндре двигателя внешнего смесеобразования следует считать наличие в процессе сгорания фронта пламени, распространяющегося по смеси с конечной скоростью (порядка 20…40 м/с) от свечи зажигания к стенкам КС. Это заставляет делить зону КС как минимум на две – зону сгоревшего и несгоревшего топлива, термодинамические параметры газа в которых будут отличны друг от друга.

3. Обзор методов исследования процессов теплообмена

Известные стационарные методы измерения коэффициента теплопроводности, в которых тепло подводится к образцу от внешнего источника можно разделить на две группы: абсолютные и относительные методы.

Абсолютные методы. В случае плоского слоя для определения λ необходимо измерить плотность теплового потока q и градиент температур в образце. 



Градиент температур в образце создается основным нагревателем. Температуры граничных поверхностей слоев измеряются термопарами, заделанными в стенки нагревателя и теплосъемника с большим коэффициентом теплопроводности

исследуемый слой находится между двумя практически изотермическими поверхностями, температура которых измеряется. Кроме перепада температур измеряется полный поток тепла Q через образец. Формула для расчета коэффициента теплопроводности в данном случае имеет вид:

λ =	Q		δ	,		(1.10)
	F T

где δ и F – толщина и площадь поперечного сечения образца; T – перепад температур на слое толщиной δ.

Относительные методы. В относительных методах кроме образца из исследуемого материала обычно используется эталон с известным коэффициентом теплопроводности. При одинаковом тепловом потоке через оба тела измеряется отношение градиентов температур в исследуемом теле и эталоне. Утечки тепла с образцов могут быть учтены по перепадам температур на эталонах. Применение относительных методов при высоких

температурах ограничено отсутствием эталонных материалов.

Методы измерения коэффициента теплопроводности с внутренним тепловыделением в образце можно разделить на методы плоских изотермических поверхностей и методы цилиндрических (или сферических) изотермических поверхностей.

В методе «тонкого стержня» применяется образец в форме стержня, который нагревается пропусканием через него электрического тока. Если все выделяющееся тепло отводится через концы стержня (теплообмен на боковой поверхности отсутствует), то стержень рассматривается как «тонкий», поскольку температура в его поперечном сечении практически не меняется (случай плоской изотермической поверхности). Тогда расчетная формула имеет вид:

	λ =	U 2	,	(1.13)
		8ρ T

где U – падение напряжения на полной длине образца; ρ – удельное электрическое сопротивление материала стержня. Разность температур T в формуле (1.13) вычисляется как

T = T2 − T1 + T3 , 2

где T2 – температура в середине образца, T1 и T3 – температуры концов образца. Погрешность измерений 3 %. Метод применялся при температурах до 1200 К.

4. Основные понятия и определения: тепловой поток, плотность теплового потока, температурное поле, температурный градиент

Количество тепла, проходящее через данную поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком Q, Вт   .

Количество тепла, через единицу поверхности в единицу времени, называется плотностью теплового потока или удельным тепловым потоком и характеризует интенсивность теплообмена.

 (9.4)

Плотность теплового потока q, направлена по нормали к изотермической поверхности в сторону, обратную градиенту температуры, т. е. в сторону уменьшения температуры.

Температурным полем называется совокупность значений температуры в каждый момент времени во всех точках рассматриваемого пространства. Если температура постоянна во времени, то поле называется стационарным или установившимся. Если же температура во времени меняется, то поле называется нестационарным. Температура может быть функцией трёх, двух и одной координат. В соответствии с этим различают трёх-, двух-, и одномерные температурные поля.

Поверхности, представляющие собой геометрическое место точек с одинаковой температурой, называют изотермическими поверхностями, а линии пересечения изотермической поверхности с плоскостью – изотермами 

Градиент температуры. Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется градиентом температуры:

 (9.3)

Эта величина является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры

Градиент температуры характеризует интенсивность изменения температуры в направлении нормали.

5. Системы измерения тепловых величин

6. Закон Фурье

Перенос теплоты теплопроводностью (который в чистом виде имеет место только в твердых телах с малым коэффициентом термического расширения) выражается эмпирическим законом Био–Фурье:

Количество теплоты dQ, проходящее через элемент изотермической поверхности dF (м²) за промежуток времени dτ, пропорционально градиенту температуры ∂t/∂n. Коэффициент пропорциональности λ (коэффициент теплопроводности) – это справочная характеристика, его значение различно для различных материалов, характеризует способность тел проводить теплоту.

Градиент температуры ∆n – это наикратчайшее расстояние между соседними изотермами. Тогда  0 lim n t n   = t n/   , К/м, называется градиентом температуры grad t. Градиент температуры характеризует интенсивность возрастания температуры по нормали к изотермической поверхности.  / t n – векторная производная, положительное направление которой указывает в сторону возрастания температуры.
Часто требуется подсчитать
изменение температуры в произвольном направлении, например в направлении оси x:



Коэффициент теплопроводности λ характеризует способность тел проводить теплоту, его величина характеризует количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу площади поверхности при температурном градиенте, равном единице. Коэффициент теплопроводности, как правило, определяется опытным путем и зависит от температуры и давления:



Количество теплоты, проходящее через единицу площади поверхности в единицу времени, называют плотностью теплового потока:

Направления grad t и q противоположны, этим объясняется знак «–» в законе Фурье. Для подсчета q в любой точке тела необходимо знать значение grad t = ∂t/∂n. Температурное поле внутри тела может быть определено в общем случае для конкретной задачи лишь путем решения дифференциального уравнения теплопроводности.

7. Формула Ньютона для теплоотдачи.

теплообмен между поверхностью твердого тела и движущейся средой, сопри­касающейся с этой поверхностью, описывают законом Ньютона-Рихмана.

Согласно закону Ньютона-Рихмана тепловой поток Q от жидкости к стенке или от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур ?t = (t_c-t_ж) жидкости и стенки:

, [Вт] (114)

Разность температур (t_c-t_ж) или (t_ж- t_c) называют температурном напором.

Коэффициент пропорциональности α, входящий в уравнение Ньютона-Рихмана, называется коэффициентом теплоотдачи. Он учитыва­ет конкретные условия процесса теплоотдачи, влияющие на его интен­сивность и имеет размерность: [α] = Вт/м²*К

Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность теп­лообмена на границе жидкость - стенка и численно равен количеству тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности, при разности температур между поверхностью и жидкостью в один градус. Коэффициент теплоотдачи α в отличие от коэффициента тепло­проводности λ не является физическим параметром среды и зависит от многих факторов.

Исходя из уравенения:

отсюда 

Последнее тождество можно рассматривать как определение α: коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока на границе жидкость - стенка, отнесенная к разности температур стенки и жидкости.